齿轮机构的发展史

为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸。除从材料、热处 理及结构等方面 改进外圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国 人Frank Humphris最早发表了圆弧齿形．1926年．瑞士人Eruest Wildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年，苏联的 M•L•Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。 1970年。英国Rolls－Royce公司工程师R•M.•Studer取得了双圆弧齿 轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了 显著效益。
齿轮机构的发展史
齿轮
• 齿轮（Gear或cogwheel）是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元 件，齿轮依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机 械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变 运动方向和改变运动形式等功能。由于传动效率高、传动比准确、功率范 围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平会直接 影响到工业产品的品质。
• 机械钟可分为日常生活用和技术用两类。日常生 活用的有各种台钟、闹钟、挂钟、座钟、落地钟 等。技术用的类型有精密天文钟、舰船钟、建筑 塔钟、汽车钟、坦克钟、航空航天钟等。虽然结 构类型多种多样，但其基本原理和主要组成部分 是很相近的，大部分采用以摆轮游丝系统或物理 摆为振动系统的擒纵调速器。
用渐开线作为齿轮齿廓曲线，最早是法国学者海尔（Hire．P．D．L）于1694年 在一次“摆线论”为题的演讲中提出来的。1733年，法国人M.Clause 提出轮齿接 触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的 瞬心线（节圆）纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络 形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。它考虑了两齿面的啮合状 态，明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年瑞士的L•Euler提出渐开线齿 形解析研究的数学基础，阐明了相哈合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径担和 曲率中心位置的关系．后来Savary进一步完成这-方法，成为现在的Euler－Savary 方程．对渐开线齿形应用作出贡献的是Robert Willis.他提出中心距变化时，渐开线 齿轮具有角速比不变的优点．1873年德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮 在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础．
机械式钟表
• 机械钟是机械式振动系统的计时仪器，如摆钟、 摆轮钟等。其工作原理是利用了一个周期恒定的 ，持续振动的振动系统；把振动时的振动周期来 以振动次数，就等于所经过的时间，时间=振动周 期×振动次数。一般由能源、轮系、擒纵机构、 振动系统、指针机构和附加机构等几部分组成。 • 能源可采用重锤或发条
• “齿轮轮齿相互扣住齿轮会带动另一个齿轮转动来传送动力。将两个齿轮 分开，也可以应用链条、履带、皮带来带动两边的齿轮而传送动力。”齿 轮一般由轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆和分度圆组成。 • 而两个齿轮互相咬合时，转动的方向会相反
组件
轮齿：齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分。 齿槽：齿轮上两个相邻轮齿之间的空间。 齿面：轮齿上位于齿顶圆柱面和齿顶圆柱面之间的侧表面。 基圆：形成渐开线的发生线在其上作纯滚动的圆。 齿顶圆：齿顶端所在的圆。 齿根圆：槽底所在的圆。
齿轮机构的类型
• 以传动比分类 • 定传动比——圆形齿轮机构（圆柱、圆锥） • 变传动比——非圆齿轮机构（椭圆齿轮） • 以轮轴相对位置分类 • 平面齿轮机构
• 直齿圆柱齿轮传动
• 外啮合齿轮传动 • 内啮合齿轮传动 • 齿轮齿条传动
• 斜齿圆柱齿轮传动 • 人字齿轮传动
• 空间齿轮机构
• 圆锥齿轮传动 • 交错轴斜齿轮传动
齿轮简史
• 据史料记载，远在公元前400～200年的中国古代就已开始使用齿 轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作 为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械 装置。17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。 18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛，先是发 展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮。一直到20世纪初，渐开线齿轮 已在应用中占了优势。
用于连接齿轮和轴承，是在机械个体中被广泛应用的零件部分。
蜗杆
齿轮的常用材料
• 制造齿轮的常用材料主要有：调质钢、渗碳钢、铸钢、合金铸钢、灰铸铁和 球墨铸铁。 • 用于制造齿轮的调质钢的材料牌号有：45#钢、35SiMn、42SiMn、50SiMn、 40Cr、35CrMo、42CrMo、37SiMn2MoV、40CrMnMo、40CrNi、38SiMnMo、 42CrMo4V。 • 用于制造齿轮的渗碳钢的材料牌号是：20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、 38CrMoAl、17CrNiMo6、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi3。 • 用于制造齿轮的铸钢和合金铸钢的材料牌号有：ZG 310-570、ZG 340-640、 ZG 40Mn2、ZG 35SiMn、ZG 42SiMn、ZG 50SiMn、ZG 40Cr、ZG 35CrMo、ZG 35CrMnSi。 • 用于制造齿轮的灰铸铁和球墨铸铁的材料牌号有：HT250、HT300、HT350、 QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT1200-1。
齿形发展史
• 到目前为止，齿轮齿形发展大体经历了五个阶段： 第一阶段是拨挂齿轮阶段。古代所使用的原始齿轮装置中所见的齿轮，齿形和齿距都未考虑。 第二阶段是等齿距齿轮阶段。18世纪以前，虽没有理论上正确的齿形，但已能考虑齿距，凭经验制造 出能正确传递旋转运动的齿轮。 第三阶段是使用摆线齿轮阶段。为使齿轮进行等速运动，从17世纪开始进行齿形理论研究。1674年丹 麦罗默提出使用外摆线齿形。1733年法国卡米提出齿轮啮合的基本定律。19世纪中叶英国威利斯提出 复合摆线齿形。不久，市面上出售根据这种齿形设计的成形铣刀，从而使摆线齿轮普及全世界。 第四阶段是渐开线齿形阶段。用渐开线作为齿形，虽然早在16世纪末便由法国的海尔提出，后欧拉— 萨凡里（Eular-Savary）对渐开线齿形进行了解析研究。英国威利斯指出，当中心距变化时，渐开线齿 轮角速比不变，渐开线齿轮的优越性才逐渐为人们所认识。但是直到1900年普福特首创了万能滚齿机， 用范成法切制齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮在全世界才逐渐占统治地位。 第五阶段是多种齿形并存的发展阶段。整个20世纪，渐开线齿轮占统治地位。50年代，出现了点啮合 的圆弧齿轮（W—N齿轮），主要适用于高速重载场合。摆线齿轮除在钟表方面继续采用外，在摆线 针轮行星减速器方面取得了新的进展。根据工业发展的要求，目前又出现了阿基米德螺旋线齿轮、抛 物线齿轮、准双曲面齿轮、椭圆齿轮、综合曲线齿轮、无名曲线齿轮等等，而渐开线齿轮本身亦在不 断地改进（如变位、修缘、修形等）。所有这些齿形为了适应各种不同的要求，亦在不断地改进，而 新的齿形亦在不断地产生。各种齿形并存，并互相渗透，有朝一日，有可能出现一种能适应各种不同 要求，吸取各种齿形优点的新型齿形。
水运浑象仪
水运浑象仪巧妙地把计量时间用的漏壶与浑象仪联系起来，即 以漏水为原动力，并利用漏壶的等时性，通过齿轮系的传动，使浑 象仪每日均匀地绕轴旋转一周。 浑象仪能自动地、近似正确地把天象演示出来，并使浑象仪上 的天象出没与实际天象相吻合，几可达到逼真的程度。
国外古代齿轮
• 据历史记载和流传至今的实物证实，埃及、巴比伦，早在公元前400～200年代，就开始使 用齿轮。希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前384～322年）在他所著《机械问题》中， 提到了齿轮，这是国外关于齿轮的最早文献记载。希腊学者阿基米德（Archimedes，公元 前287～212年），特别记载了蜗杆传动卷扬机。公元前1世纪罗马建筑师维特鲁维亚斯 （Vitruvius）叙述了装有齿轮传动的水力磨粉机，这是具体记载了最早的动力传递用齿轮。 公元前150年左右，亚历山大港的克特西比乌斯（Ctesibius），将齿轮机构用于水力计时器， 埃龙（Heron）制成计程车和瞄准器，这是关于将齿轮机构用于传递运动的最早记载。当然， 所有上述齿轮，都是木工用手工制造的。 到了中世纪，齿轮和机械式钟表相结合。1484年德国的沃索鲁斯（Waltherns）将机械式钟 表用于天文观测。在此期间，随着水力、风力、畜力的利用，出现了传递动力的相当大的 齿轮。15世纪后叶，达· 芬奇（da．Vinci）在手稿中，记载了各种齿轮装置。到17世纪后叶 就已开始进行齿形理论研究。到18世纪，随着以蒸汽机的发明为先驱的工业革命的到来， 齿轮技术才得到高速发展。
直齿轮
直齿轮是一种普遍的齿轮。当一对直齿轮正确地啮合在一起时，它们的安装轴线是相互平行的。
斜齿轮
两轴相交者，由圆锥形磨擦轮演变而成，两轴相交之齿轮。
人字斜齿轮
斜齿轮有对轴上的横向力，为消除这种力，把一个齿轮作成对称方向相反的斜齿轮，来消除这种力， 看上去像个人字，简称为人字形齿轮。
锥齿轮 轴承齿轮
齿轮技术发展树
用类似树枝的形式表示齿轮技术发展概况的图。它形象的显示出齿轮技术分枝及主干的发展 过程、各领域构
• 齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，它可以用来 传递空间任意两轴间的运动和动力。齿与其它传动机构相比，齿 轮机构的优点是：结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿 命长、能保证恒定的传动比，而且其传递的功率和适用的速度范 围大。故齿轮机构广泛用于机械传动中。但是齿轮机构的制造安 装费用高、低精度齿轮传动的噪声大。 • 按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构可以分为两大类 ：其一是定传动比齿轮机构，齿轮是圆形的，又称为圆形齿轮机 构，是目前应用最广泛的一种；其二是变传动比齿轮机构，齿轮 一般是非圆形的，又称为非圆形齿轮机构，仅在某些特殊机械中 适用。 • 按照一对齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，圆 形齿轮机构又可以分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。
19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具 的相继出现，使齿轮加工具有较完备的手段后，渐开线齿形更显示 出。巨大的优越性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍作 移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮、1908年，瑞 士MAAG研究了变位方法并制造出展成加工插齿机。后来，英国bss、 美国AGM A、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法。